上条当麻是学园都市的一名高中生。在这座位于东京都西部的封闭都市中，学生占到了总人口的八成，“超能力开发”被列为绝大多数学生的必修课，在Level 0到Level 5的等级排名上相互竞争。不幸地，上条当麻被评定为无能力者；但他的右手有着能将一切异能消除的不明力量，他本人称其为“幻想杀手”。似乎是连同神的祝福一同抹杀的关系，他每天都过着不幸的生活。

暑假的一天，在宿舍的阳台上，上条当麻遇见了一位挂在阳台栏杆上的修女。她自称“禁书目录Index”，脑海中装有十万三千册“魔道书”，正在从不为人所知的“魔法”世界逃亡。就这样，上条一脚踏进了魔法与科学的纷争。

本作的世界观以现实世界为蓝本，但并未说明详细历史时期，大致可以推测故事发生在虚构的近未来[d]。其历史与现实世界有共通点（如前两次世界大战、冷战等；亚雷斯塔更是现实中存在的人物），但也有显著的差异。

学园都市是科学势力的大本营，同时也是本作的主要舞台。位于日本东京西部，居住着230万人口，其中八成人口是学生，而这些学生大都是超能力开发的实验对象。学园都市具有领先世界20-30年的科技实力，掌握着多种近未来高科技兵器，并公开地培养超能力者；事实上是由统括理事会所主导的、严格封闭的国中之国。

而魔法势力则较为分散，主要由名目繁多的宗教组织和魔法结社构成，也有不属于任何组织的魔法师存在。教会势力中，十字教有三大主要教派：英国清教、罗马正教和俄罗斯正教（分别以英国圣公会、天主教和东正教为原型）；而魔法结社则包括以黄金黎明为源头的黄金系结社、依靠北欧神话理论的“捣蛋鬼”，阿兹特克系的“有翼者的归来”等。魔法势力之间常会出于各自不同的目的互相斗争，魔法师出于个人信念私自行动的现象也广泛存在。

在魔法势力与科学势力之外，尚有两不从属的一般组织与国家，如美国；作品中也出现了许多虚构的政权，除学园都市外，还有“伊莉沙里纳独立国同盟”、“巴格吉城”等。

本作中，除“现实世界”之外，尚存在更高等级的、无法以一般手段探知的其他次元的“位相”；神、魔神、天使、妖精、无法以语言名状的高等级存在[e]，也均在作品中有所提及。

在漫画中就已经设定了架空都市“流川市”为场景，在确定动画化后，负责制作动画之feel.将主角们生活的地点“流川市”以千叶县流山市为蓝本，但主角们就读的“流川第三女子高中”则以流山市的邻市——千叶县松户市的千叶县立松户六实高等学校为蓝本。流山市因电视动画的播出，而成为了许多动漫迷圣地巡礼的地点之一。

居住在流川市的女高中生宇佐美奈奈子原本过着平静的生活。一日，在流川市役所工作的舅舅拜托她参演了一场为振兴城市经济而举办的活动。而在活动的现场，奈奈子遇到了同校的学姐小日向缘。并且从此以后两人结成了以宣传流川市为目的的偶像团体“流川GIRLS”，并以“流川GIRLS”的名义开始参与各种活动和电视节目，而两人的人生也开始了新的篇章……

拥有特殊能力的王家9个兄弟姐妹们的生活，通过遍布全町的监视摄像头向全国转播!而观看这个的国民将选出下届的国王。持有重力操纵能力的三女茜是一个极度的害羞鬼，为了不被摄影机拍到而竭尽全力。但是她的兄弟姐妹们是怎么想的呢?

樱田家身为一国的王族，有九个孩子，也就意味着有九位继承人等待着登上下一任的王座，为了选出最适合做国王的那一个人，现任的国王在城市里设置了200个摄像头，全方位的拍摄这九个孩子的一举一动并且放松给民众。

活泼开朗温柔可人的樱田葵(芽野爱衣 配音)、对一切都无所谓的樱田修(木村良平 配音)、爱财如命的樱田奏(石原夏织 配音)、非常害羞十分讨厌摄像机的樱田茜(花泽香菜 配音)、拥有七重分身的樱田岬(松井惠理子 配音)、有些神经质的樱田遥(村濑步 配音)、童颜巨乳的樱田光(小仓唯 配音)、年纪虽小却拥有一身怪力的樱田辉(胜田诗织 配音)和能够同动物们说话的樱田栞(铃木爱奈 配音)，他们中究竟哪一个会成为下一任国王呢?